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1、数控十字工作台设计说明书姓名：田天宇学号:201202070816指导老师：丁红纲二。一五年十一月浙江工业大学目录一主要技术要求（3）二结构设计说明（4）三关键零部件的设计与选型（5）1 工作平台结构设计简图（5）2 滑块座结构设计简图（5）3 X、Y向滚动导轨副选择：（6）4 滚珠丝杆螺母副的计算和选型（6）4.1 X向进给丝杆（6）4.2 Y向进给丝杆（8 ）5 电机的计算和选型（11）5.1 X向进给伺服电机计算（11）5.2 Y向进给伺服电机计算（1 3）四绘制装配图及技术要求（16 ）、主要技术要求1设计可实现X向和Y向数控运动的工作台.2数控运动驱动方式可以采用步进电机或伺服电机驱
2、动，但所选电机必须与该电机生产厂所列技术数据一致.3 工作台尺寸250*250 mm（X/Y）（需带T型梢）.4 工作台工作行程：100*100 mm（Y/X）.5 若采用步进电机驱动，则脉冲当量要求为:X向0.01 mm/脉冲;Y向0.01 mm/脉冲.6 X/Y向最高工作进给速度:300mm/min.7 X/Y向最高空载快进速度：500mm/min.8 工作台重复定位精度（X、Y向）为+0.02mm/300mm.9 X/Y/Z 向切削负载为 2000/2000/1000N.1 0 工件最大重量（包括夹具）为:150KG.1 1进给机构系统均采用滚珠丝杆和滚动导轨副.1 2所设计的工作台应结
3、构合理、制造工艺性良好.1 3设计装配图应表达正确、完整，技术标注规范、全面。工作台工fE台草图二、工作台台身材料及结构根据设计要求及相关的参考资料，工作台台身材料选用灰铸铁 HT200，该材料价格便宜，而液态流动性好，减振能力强、动刚度大；容易进 行切削加工，易断屑。是目前此类零件应用最多的材料。确定本方案数控十字工作台的基本结构将由底座、 滑动座和工作 平台（带T形梢）组成，此三部分由下至上重叠布置在 Y-X平面上，由Y 轴和X轴上各自的数控驱动元件配合相应传动链可实现滑动座和工作平 台独立运动。底座与滑动座，滑动座与工作平台之间分别通过滚动导轨副 和滚动丝杆副联系。底座相对滑动座和工作平
4、台固定不动，沿底座 Y轴的方向上平 行布置了两组滚动导轨副和一组滚珠丝杆副，并在底座 -Y轴方向的端部 布置驱动元件。滑动座联接在底座的导轨上由丝杆带动可沿 Y轴运动。同时， 在滑动座X轴的方向上平行布置了两组滚动导轨副和一组滚珠丝杆副， 并在滑动座-X轴方向的端部布置驱动元件。工作平台上沿X轴方向开有T形梢，方便固定支撑工件，其整 体联接在滑动座的导轨上由丝杆带动可沿 X轴运动。三、关键零部件的设计与选型1 X、Y向滚动导轨副选择：根据数控工作台的整体结构以及工作平台的尺寸，确定X轴滚动导轨副形式为卧式导轨，导轨轴移动。双列平行导轨各带 2个滑块，即工作平台和5滑动台分别与4个滑动导轨块连接
5、并受其支撑。确定 Y轴滚 动导轨副形式为卧式导轨，滑块座移动。双列平行导轨各带2个滑块，即滑动台和底座分别与4个滑动导轨块连接并受其支撑。根据工程力学原理：X向导轨副总载荷 Wx =工件重量+工作平台重量+Z向切削负载（工件重量为150Kg ,工作平台重量为250X150X70X7M1000/1000=18.375Kg（HT200密度为7.0g*cm 3） ,Z向切削负载为1000N ）Wx = 1.5+0.18375+1=2.68375KN两导轨间中心距 116 mm,滑块座间距 80 mm。通过计算可得单个滑块上的最大载荷为 671NY向导轨副总载荷 Wy =工件重量+工作平台重量+Z向切
6、削负载Wy = 1.5+0.3675+1=2.8675KN两导轨间中心距116 mm,滑块座间距 80 mmo通过计算可得单个滑块上的最大载荷为717N由以上计算结果并参考厂家的技术资料， 选用南京工艺装备装备制造厂 的GGBT16AB型滚动导轨副（带2个滑块）。其主要技术参数：额定 动载C为7.6KN ;额定静载C。为9.5KN ;单根最大长度1000mm。滚动导轨副额定寿命计算：L =50fhftfcfaCfwpc式中 fh、ft、fa 均为 1, fc 为 0.81, fw 按 1.2计算得 X向：L=22343KM。Y向：L=18313KM 。因计算结果大于 8X60X250X5X50
7、0/1000/1000=300KM ,导轨副满足使用要求。X向移动导轨副的型号确定为 GGBT16AB2-P1-2X250-3Y向移动导轨副的型号确定为 GGBT16AB2-P1-2X250-3四、滚珠丝杆螺母副的计算和选型因在工作台X向和Y向上各有一滚珠螺母丝杆副，受力大小略有差 别，首先对滑动台上的丝杆副进行计算，以下为具体技术参数的计算过程:4.1X向进给丝杆1)、进给率引力Fm：Fm = Fx+ f/ (Fz+Fy+G)式中f/ 导轨摩擦系数，因是滚动导轨取0.0035 ;G 工作平台及工件重量，按 1500+500=2000N得 Fm = 2000 + 0.0035(1000 + 2
8、000 + 2000)=2017.5N2)、最大动负载C由以下计算式：C =3 LfwFm60 n T01000 s n 二L0式中Lo 滚珠丝杆导程，初选6mm;s最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 的%，已知最高进给速度为0.3m/min ;T 使用寿命，按数控机床15000h ;fw 运转系数，按一般运转取fw=1.3;L 寿命以106转为1单位。L=60*n*T/10 6=60*30*15000/10 6=27C=3,LfwFm =3*1.3*2017.5=7868.25N3）、滚珠丝杆螺母副的选型为使得数控工作台的结构紧凑，根据产品资料，选用 FFZD2505-3型内循环螺纹预
9、紧螺母式滚珠丝杆副，循环圈数3圈, 其额定动负载为10.6KN ,选定精度等级3级。4）、传动效率计算按式tgtg（：）式中螺旋升角，选定的丝杆副为3 39邛摩擦角取10,滚动摩擦系数0.0030.004 ;5）、tg3 39tg（3 39 10）刚度验算= 0.956如下面图3所示的X向进给滚珠丝杆支承方式简图图3已知最大牵引力为2017.5N。支承间距L=250mm丝杆螺母及螺母 均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 %。a丝杆的拉伸或压缩变形量a根据Fm=2017.5N , D0=25mm ,查“滚珠丝杆轴向拉伸压缩变形图”得S i=S l/L 0=3.0*10-5 ,可算出：S i=S
10、l/L 0*250=3.0*10 -5*250=0.0075 (mm)由于丝杆进行了预拉伸，其抗压强度可以提高4倍。其实际变形量 6；为：S ： = 1/4 * 0.0075=1.875 M0” (mm)B滚珠与螺纹滚道间接触变形为由产品的资料查得，已知 Fm=2026.25N ,2=3.8 m因进行了预紧2-1/2 *3.8=0.0019mmC支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 必采用7204型向心推力球轴承配对使用，di=20mm ,滚动体直径DQ=8mm ,滚动体数量z=10 ,6c =0.002/sin a 3-Ff 1/sin2a dQ Z2、c = 0.0196(mm)因施加预紧力，故
11、S 3=1/2 6c=0.0098mm根据以上计算：S =5 1+82+8 3=0.0019+0.0019+0.098=0.0119 定位精度(0.02)6)、稳定性校核FK=fz 7t2EI/l2=4.0*3.143*20.6*106*2.154/64*81.52=12.82KNE一丝杆弹性模量，对钢E= 20.6*106(N/cm)I 截面惯性矩 产兀d4/64Fk/Fm = 12.82/2.2=5.8因大于稳定性安全系数2.54.所以不存在失稳的危险.4.2Y向进给丝杆1)、进给率引力Fm：Fm = Fx+ V (Fz+Fy+G+G式中 一一导轨摩擦系数，因是滚动导轨取0.0035 ;G
12、 工作平台及工件重量，按 2000NGi 滑动座白重量，按 500N得 Fm = 2000 + 0.0035（1000 + 2000 + 2000+500）=2019.25 N2）、 最大动负载C由前述数据得n = 1000*V s/L0=1000*0.3*0.5/5=30r/minL=60*n*T/10 6=60*30*15000/10 6=27C=3LfwFm =3*1.3*2019.25=78753）、滚珠丝杆螺母副的选型选用FFZD2505-3型内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杆副可以满足要求，其循环圈数3圈，额定动负载为10.2KN,选定精度等级3 级。4）、传动效率计算=tg3 39=0
13、.956tg（3 39 10）5）、 刚度验算如下面图4所示的纵向（X向）进给滚珠丝杆支承方式简图。通过对Y向进给丝杆最大动负载的计算，得到的结果与X向进给 丝杆的值很接近，因此选用与 X向丝杆一致的型号，并且由于支承方 式和预缩要求也相同，所以无需再进行刚度验算。5 电机的计算和选型5.1 x向伺服电机计算1)、等效转动惯量计算计算简图见图3。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量Jg(kg cm2)可由下式计算：J N=J s+Jj式中Jj 移动工作台的惯量转化到控制轴上的等效惯量;根据资料,JJ=900mv 2/ ji 2n2=900*200*1.16 2/3.14 2*140 2=1.2
14、5Js=2.24*0.25=1.8256J尸 Jj+ Js =1.25+1.8256=3.0756 (kg cm2)2)、电机力矩计算工作台在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按空载快进和工作进给进行计算：(1)、空载快进时所需力矩M快M 快=M f + M0折算到电机轴上的摩擦力矩Mo :M=0.0035(2000+442.5)*0.5/2*3.14*0.8=0.85(N cm)附加摩擦力矩：M f =0.33*2022.25*0.5/2*3.14*0.8=60.3(N cm)M 快=0.85+60.3=61.15 (N cm)(2)、工作进给时所需力矩M切M切=Mf +M0+Mt=Mf
15、+M0+&L2二 i=60.3+0.85+199.04=260.19 (N cm)从上面计算可以看出，M快和M切二种工况下，切削进给时 所需力矩更大，以此作为初选电机的依据。按此最大静力矩从电机资料上查得，120MB040A-2CE6E 型额 定静转矩为3.82 (N m)。大于所需最大转矩，作为初选型号，进一步 考核电机惯量与负载惯量的是否匹配：由电机资料可知，电机转子惯量Jm=7.2(N cm) .堵转转矩系数K=1.6,计算转矩系数A=0.8负载转矩系数B=0.4J JJm=3.0756/7.2=0.427-A-B/K-A=0.8-0.4/1.6-0.8=0.55.2 Y向进给伺服电机计
16、算1)、等效转动惯量计算计算简图见图3。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量Jj (kg cm2)可由下式计算：J 2=J s+Jj式中Jj 移动工作台的惯量转化到控制轴上的等效惯量；Js 滚珠丝杆的转动惯量(kg cm2)根据资料：Jj=900mv2/ji2n2=900*250*1.16 2/3.142*1402=1.57Js=2.24*0.78=1.74722)、电机力矩计算工作台在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按空载快进和工作进给进行计算：(1)、空载快进时所需力矩M快M 快=M f + M0折算到电机轴上的摩擦力矩Mo :M=0.0035(4500+442.5)*0.5/2*3
17、.14*0.8=1.72 (N cm) 附加摩擦力矩：M f =0.33*2029.75*0.5/2*3.14*0.8=66.67 (N cm)M 快= 1.37+60.3=61.66 (N cm)工作进给时所需力矩M切M切=Mf +M0+Mt=Mf+M 0 + Fx，L0 2二 i=66.66+1.72+199.04=267.42 (N cm)从上面计算可以看出，M快和M切二种工况下，切削进给时所需 力矩更大，以此作为初选电机的依据。按此最大静力矩从电机资料上查得，120MB040A-2CE6E 型额 定静转矩为3.82 (N cm)。大于所需最大转矩，作为初选型号，进一 步考核电机惯量与负
18、载惯量的是否匹配：Jz= Jj+ Js =1.57+1.7472=3.3172 (kg cm2)由电机资料可知，电机转子惯量Jm=7.2(N cm)堵转转矩系数K=1.6,计算转矩系数A=0.8负载转矩系数B=0.4由此可知 JHJm=3.7172/7.2=0.46;A-B/K-A=0.8-0.4/1.6-0.8=05数值极为相近，同时，该电机转速为1000转,完全满足了设计中对速度的要求可 以选择该型号电机.附一伺服电机参数技术参数单位伺服电机型号120MB040A-2C6EM20MB055A-2CI6EV20MB075A-2CE6E避20MB100A-2C6EE120MB150A-2C6E
19、货物编码031180031190031195031220031230额定输出功率W40055075010001500额定转矩N.m3.825.257.169.5514.32瞬间最大转矩N.m11.4615.7521.4828.6542.97额定转速rpm1000最高转速rpm1200电机转子惯量kg.cm27.29.213.217.225.2转矩系数N.m/A1.61.61.61.61.6额定相电流A1.932.663.614.797.14瞬间最大相电流A5.87.9710.8314.3721.42电枢绕阻相电阻Q15.99.795.463.72.02电枢绕阻相电感mH52.8636.3622
20、.0515.729.93机械时间常数ms4.483.532.822.491.66电气时间常数ms3.333.714.044.254.91重量kg4.65.88.210.615.4编码器P/R2500负载惯量负载惯量0电机转子惯量X10 （倍）适配驱动器GS0040AGS0040AGS0075AGS0100AGS0150G四、绘制装配图及技术要求数控十字工作台装配图见后面附图。技术要求：1）、各运动部件组装后好，应消除其间隙，并保证运动灵活无卡滞2）、滚动导轨副安装时按中等载荷进行预紧，预紧力为 885N。3）、导轨面建议采用风琴式氯丁橡胶软密封罩密封。4）、滚珠丝杆螺母副部件在安装时调整好预紧力.参考文献：机自专业综合实践指导书浙江工业大学机械学院机械制造技术基础 卢波主编机械设计第九版